突变是 DNA 核苷酸序列的可遗传变化，是所有遗传变异的最终来源。虽然有些突变是中性的或有益的，有助于进化适应，但其他突变会破坏基因功能并导致遗传性疾病或癌症。

点突变的类型

点突变是单个核苷酸的变化。转换用嘌呤代替嘌呤（A↔G）或用嘧啶代替嘧啶（C↔T），而颠换用嘌呤代替嘧啶，反之亦然。由于 5-甲基胞嘧啶自发脱氨基为胸腺嘧啶，转换比颠换更常见。沉默（同义）突变将一个密码子改变为编码相同氨基酸的另一个密码子，对蛋白质序列没有影响。错义（非同义）突变改变密码子以编码不同的氨基酸，这可能是保守的（相似的化学性质）或非保守的（不同的性质）。无义突变会产生过早的终止密码子，导致截短的蛋白质通常失去功能并成为无义介导的 mRNA 衰变的目标。

插入和删除

一个或多个核苷酸的插入和缺失 (indel) 可能会产生不同的影响，具体取决于其大小和位置。当插入缺失长度不是三的倍数时，就会发生移码突变，从而改变阅读框并改变所有下游密码子，通常会产生完全无功能的蛋白质。框内插入缺失，其中插入或删除的核苷酸数量是三的倍数，添加或删除整个密码子而不改变阅读框。三核苷酸重复扩增，例如亨廷顿病中的 CAG 重复和强直性肌营养不良中的 CTG 重复，涉及重复序列超出致病阈值的不稳定扩增，较长的重复会导致更早的发病和更严重的疾病（预期）。

突变原因

自发突变是由内源性过程产生的，无需暴露于外部因素。脱嘌呤，即嘌呤碱基的丢失，每个细胞每天发生数千次，并产生一个无嘌呤位点，可能导致复制过程中的错误掺入。脱氨作用将胞嘧啶转化为尿嘧啶，尿嘧啶通常会被修复，但如果不加以纠正，可能会导致 C→T 转变。活性氧的氧化损伤会产生 8-氧代鸟嘌呤，它与腺嘌呤而不是胞嘧啶配对，导致 G→T 颠换。复制错误，包括 DNA 聚合酶错误掺入和重复序列的链滑移，是另一个主要来源。诱导突变是由环境诱变剂引起的：化学诱变剂，如烷化剂（甲磺酸乙酯）和嵌入剂（溴化乙锭）；物理诱变剂，如引起双链断裂的电离辐射和产生胸腺嘧啶二聚体的紫外线；以及生物诱变剂，如转座因子和某些病毒。

DNA 修复机制

细胞拥有多种 DNA 修复途径，可以在损伤修复为突变之前纠正损伤。碱基切除修复 (BER) 通过 DNA 糖基化酶的作用去除单个受损碱基，然后进行 AP 核酸内切酶切割、DNA 聚合酶填充间隙以及连接。核苷酸切除修复 (NER) 通过切割两侧受损链并切除 24-32 个碱基的寡核苷酸来去除大块 DNA 损伤，例如嘧啶二聚体。错配修复 (MMR) 可纠正掺入错误核苷酸的复制错误，使用 MutS 和 MutL 同源物检测错配并直接切除新合成的链。双链断裂修复通过两种主要机制进行：同源重组 (HR) 使用姐妹染色单体作为 S 期和 G2 期无差错修复的模板，而非同源末端连接 (NHEJ) 直接连接断裂末端，容易出错，经常引入小插入缺失。

突变的后果

在生殖细胞中，突变可以遗传给后代并导致遗传性遗传疾病，例如囊性纤维化（移码）、镰状细胞性贫血（β-球蛋白中的错义 E6V）和杜氏肌营养不良症（肌营养不良蛋白缺失）。在体细胞中，突变会在一生中不断积累，当突变影响癌基因、抑癌基因和 DNA 修复基因时，就会导致癌症。中性突变对适应性没有明显影响，并且以相对恒定的速度积累，为进化研究中使用的分子钟提供了基础。有益的突变，例如赋予对 HIV 感染抵抗力的 CCR5-Δ32 缺失，虽然很少见，但可以通过自然选择增加频率。

人群的遗传变异

单核苷酸多态性 (SNP) 是最常见的遗传变异类型，人类基因组中大约每 300 个碱基对就会出现一次，在人群中发现了数百万个 SNP。拷贝数变异 (CNV) 涉及大于 1 kb 的 DNA 片段的缺失或重复，占个体间遗传变异的很大一部分。结构变异，包括倒位和易位，会重新排列更大的染色体片段。由于创始人效应、遗传漂变和选择压力，遗传变异的等位基因频率在人群之间存在差异，这在全基因组关联研究和药物基因组学中考虑很重要。

进化中的突变

突变为自然选择提供了原材料。整个基因组的突变率各不相同，重复区域和 CpG 岛的突变率较高，并且生物体之间的突变率也不同（RNA 病毒的突变率比真核生物高几个数量级）。当有益突变频率增加，而纯化选择消除有害突变时，就会发生适应性进化。基因复制以及随后的突变和分化是新基因和功能的主要来源，例如珠蛋白基因家族和嗅觉受体基因。